Molecular Mechanism on Inflammation and Loss of Cochlear Cells, and Protective Effect of Predinosone

Abstract

Hearing loss may be induced by multiple causatives such as inflammation and ischemic damage. Hearing loss is also linked to loss of auditable cells. Little is known about basic molecular and cellular mechanisms associated with hearing loss. In this study. I investigated (1) the effect of inflammatory cytokine (IL-1β) or hypoxia (1% O2) on expression of inflammatory mediators in HEI-OC1 cells, a rat auditable cell line, (2) growth suppression effect on hypoxia, cisplatin, and aspirin of HEI-OC1 cells, and (3) any modulatory effect of predinosone, a well-known steroid clinically used in the treatment of hearing loss, on the IL-1β- or hypoxia-mediated inflammatory gene expression and growth change. In HEI-OC1 cells, treatment with IL-1β led to increased expression of COX-2 and MMP-9, or -13, inflammatory enzymes involved in PGE₂ synthesis and ECM degradation, respectively, and it was due to their transcriptional up-regulation. The IL-1β treatment also elicited activation of many intracellular signaling proteins, including ERKs, JNKs, p38 MAPK, and NF-κB. In different kinetic, hypoxia treatment also induced high expression of iNOS and MMP-13 an enzyme producing NO, a toxic radical and activation of JNKs and PKB. Profoundly, treatment with predinosone strongly inhibited the IL-1β-induced expression of COX-2 and MMP-9 or -13 at their transcriptional levels in HEI-OC1 cells. Distinctly, predinosone also blocked activation of ERK-1/2, JNK-1, and AP-1 transcription factor by IL-1β. Interestingly, the predinosone-mediated inhibition of ERKs and JNKs was associated with the ability of predinosone to up-regulate MKP-1, a negative regulator of ERKs and JNKs, as confirmed by siRNA of MKP-1. Predinosone was also shown to slightly inhibit the hypoxia-induced iNOS and MMP-13 expression and the endogenous MMP-9. Moreover, the exposure of hypoxia, cisplatin or aspirin leads to growth suppressive effect of HEI-OC1 cells. However, predinosone did not protect hair cell loss induced by hypoxia, cisplatin, or aspirin. The present findings collectively suggest that the exposure of IL-1β or hypoxia into HEI-OC1 cells leads to increased expression and production of many inflammatory and cytotoxic mediators, including COX-2, iNOS, MMP-9, MMP-13, PGE₂, and NO. Moreover, the author demonstrates that the exposure of hypoxia, cisplatin, or aspirin into HEI-OC1 cells leads to growth suppression of HEI-OC1 cells. and also that predinosone may have a protect effect on hearing loss in response to those insults by blocking COX-2 and iNOS expression. Interestingly, PDN has no protective effect on the hypoxia, cisplatin, and aspirin induced growth suppression in HEI-OC1 cells.

감각신경성 난청은 달팽이관 내부의 청신경세포가 손상되어 약한 음에 대한 민감도가 떨어지는 경우와 뇌에 이르는 신경이 손상되거나 종양 등이 있는 경우 등이 있다. 감각신경성 난청의 원인으로는 여러 가지가 있는데 염증, 허혈성 손상 또는 ototoxic 약물 등이 알려져 있다. 하지만 지금까지 이들에 의한 감각신경성 난청의 분자적 기전은 잘 알려져 있지 않고 있다. 따라서 본 실험에서는 (1) 염증성 인자인 IL-1β 또는 저산소 처리에 따른 내이세포 HEI-OC1 에서의 여러 염증성 단백질들의 발현 여부를 관찰하였고, (2) 저산소와 또는 ototoxic 약물인 aspirin과 cisplatin 노출시켜 HEI-OC1 세포의 생존율에 대한 영향을 관찰하였고, (3) (1) 또는 (2) 에서의 PDN에 의한 항염증, 세포보호 효과 및 기전에 대해 알아보았다. HEI-OC1 세포에 IL-1β 처리하였을 때 염증성 단백질인 COX-2와 MMP-9, -13의 발현이 증가하였다. IL-1β 처리 시 extracellular signal-regulated protein kinases (ERKs), c-Jun N-terminal kinases (JNKs), p38 mitogen-activated protein kinases (MAPK) and NF-κB의 활성이 관찰되었다. 또 다른 모델 시스템인 저산소에 HEI-OC1 세포를 노출 시켰을 때 NO를 생성하는 염증성 단백질인 iNOS의 과 발현과 MMP-13의 과 발현이 관찰되었고, JNKs and PKB의 활성도 관찰되었다. PDN을 공동 처리 시 IL-1β에 의하여 과 발현된 COX-2와 MMP-9, -13이 전사단계에서 억제 되는 것을 관찰할 수 있었다. PDN은 또한 IL-1β 에 의하여 활성화된 ERKs, JNKs, and AP-1 전사인도 억제 하였다. 흥미롭게도 PDN의 ERKs와 JNKs의 활성 억제는 MKP-1을 증가함으로서 이루어짐을 관찰할 수 있었고, 이는 MKP-1 siRNA 실험을 통하여 검증하였다. PDN은 또한 저산소에 의한 iNOS의 발현증가를 부분적으로 억제하였다. 지금까지의 결과를 종합해 볼 때, 염증 혹은 저산소는 HEI-OC1 세포에서 염증인자인 COX-2/PGE₂, MMP-9, -13 혹은 iNOS/NO의 과 발현을 일으킨다. 저산소, cisplatin, 또는 aspirin은 HEI-OC1 세포의 소실을 일으킨다. 이때 PDN은 염증성 인자인 COX-2, iNOS 그리고 MMP-13의 과 발현과 내재적으로 존재하는 MMP-9를 억제할 수 있지만, 저산소, cisplatin, 또는 aspirin에 의한 HEI-OC1 세포의 소실에는 보호효과가 없음을 알 수 있었다.